Nghiên cứu khả năng gắn kết với rotigotine của cluster vàng Au6 bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ

Abstract

Density functional theory (DFT) was employed to clarify the adsorption/desorption behaviors of the rotigotine (ROT) drug on the gold surface using the small Au₆ gold cluster as a model reactant. Geometries of resulting complexes are optimized using the PBE functional in conjunction with the cc-pVTZ-PP basis set for gold and the cc-pVTZ basis set for the non-metals. The binding sites and energies, along with several quantum chemical indicators are also investigated at the same level of theory. Computed results show that the drug molecules tend to anchor on the gold cluster at the N atom with binding energies around −18.6 kcal/mol (in vacuum) and −18.9 kcal/mol (in aqueous solution). If a visible light with a wavenumber of  nm is applied, the time for the recovery of Au₆ from the complex will be around 0.1 to 0.2 seconds at 298 K. In addition, the gold cluster is found to benefit from a larger change of energy gap that could be converted to an electrical signal for selective detection of ROT. Noticeably, the interaction between the drug and gold cluster is a reversible process and a drug release mechanism was also proposed. Accordingly, the drug is able to separate from the gold surface due to either a slight change of pH in tumor cells, or a presence of cysteine residues in protein matrices.

Tóm tắt

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được sử dụng để khảo sát cơ chế hấp phụ phân tử rotigotine (ROT) lên bề mặt vàng, sử dụng cluster vàng Au₆ làm mô hình phản ứng. Cấu trúc của các phức hợp sinh ra được tối ưu hóa bởi phiếm hàm PBE kết hợp với bộ cơ sở cc-pVTZ-PP cho Au và cc-pVTZ cho các phi kim. Vị trí, năng lượng liên kết và một số chỉ số lượng tử cũng được khảo sát tại cùng mức lý thuyết. Kết quả tính toán cho thấy các phân tử thuốc có xu hướng neo đậu trên cluster vàng thông qua nguyên tử N với năng lượng liên kết khoảng −18,6 kcal/mol trong pha khí và −18,9 kcal/mol trong nước. Khi sử dụng ánh sáng khả kiến với bước sóng nm, thời gian hồi phục của Au₆ từ 0,1 đến 0,2 giây ở 298 K. Ngoài ra, năng lượng vùng cấm của Au₆ giảm đáng kể trong các phức hợp Au₆∙ROT và có thể được chuyển hóa thành tín hiệu điện giúp phát hiện chọn lọc ROT. Đáng lưu ý, tương tác giữa ROT và cluster vàng là quá trình thuận nghịch, và cơ chế giải phóng ROT cũng đã được đề xuất. Theo đó, ROT dễ dàng tách khỏi bề mặt vàng do sự thay đổi nhỏ của pH trong tế bào khối u hoặc sự hiện diện của dư lượng cysteine trong các protein.